Studie: Seltene-Erden-Lagerstätten über uralten Kollisionszonen

Eine neue Studie hat ergeben, dass sich die meisten Seltene-Erden-Lagerstätten – Quellen für Metalle, die für Elektronik und saubere Energietechnologien unverzichtbar sind – über uralten, verschütteten Kollisionszonen befinden. Diese Zonen entstanden dort, wo tektonische Platten einst zusammenstießen und tief unter Kontinente abtauchten.

Damit erscheint die heutige Bergbaukarte in einem neuen Licht: Sie ist der oberflächliche Ausdruck tiefgreifender tektonischer Veränderungen, die lange vor dem späteren Aufschmelzen zu wirtschaftlich nutzbarem Erz angelegt wurden.

Vergrabene tektonische Spuren

Auf rekonstruierten Kontinenten zeigten sich die deutlichsten Übereinstimmungen dort, wo lang anhaltende Plattenkollisionen einst an Kontinenträndern wirkten und tief darunter chemisch veränderte Bereiche hinterließen.

Carl Spandler, Professor an der Universität Adelaide, und sein Team verfolgten diese verborgenen Zonen durch die Erdgeschichte und dokumentierten dasselbe Muster an 412 kartierten Standorten.

Die Ergebnisse ergaben, dass sich rund 29 Millionen Quadratmeilen (75 Millionen Quadratkilometer) kontinentale Kruste über diesen veränderten tiefen Regionen erstrecken. Die stärkste Häufung trat dort auf, wo sich mehrere alte Gürtel überlagern.

Diese Konzentration lässt sich kaum als Zufall abtun und wirft eine weitergehende Frage auf: Was machte aus diesen alten, vergrabenen Zonen erzführende Gesteine?

Warum Karbonatite wichtig sind

Viele der ergiebigsten Seltene-Erden-Lagerstätten befinden sich in Karbonatiten, seltenen magmatischen Gesteinen mit einem hohen Anteil an Karbonatmineralen, und nicht in gewöhnlichen Laven.

Diese Magmen entstehen tief unter Kontinenten, wo geringe Aufschmelzungsgrade Elemente anreichern, die sich nur schwer in verbreitete Minerale einbauen lassen.

Arbeiten des U.S. Geological Survey (USGS) beschreiben sie seit den 1960er-Jahren als wichtigste Quelle leichter Seltenerdelemente.

Etwa 67% dieser Wirtsgesteine lagen innerhalb derselben alten Zonen, was die erzführenden Magmen mit dieser tiefen tektonischen Vorgeschichte verknüpft.

Veränderungen im tiefen Mantel

Wenn eine Platte unter eine andere absinkt, transportiert die Subduktion – der Prozess, bei dem Kruste in den Mantel zurückgeführt wird – Wasser, Kohlenstoff und Spurenelemente in die Tiefe.

Ein Teil dieses Materials steigt anschließend wieder in den darüberliegenden Mantellithosphärenbereich, die starre Hülle unter den Kontinenten, auf und verändert dessen Chemie.

Diese chemische Überprägung senkt die Temperatur, die für ein späteres Aufschmelzen erforderlich ist. Dadurch können ungewöhnliche Magmen ohne außergewöhnlich hohe Temperaturen entstehen.

Offenbar bildete die Kollisionsphase nicht unmittelbar Erz, sondern reicherte die tiefe Kruste mit Bestandteilen an, die dort über lange Zeiträume verbleiben können.

Zeitliche Bildung der Seltene-Erden-Lagerstätten

Die zeitliche Abfolge widerlegte ein einfaches Ursache-Wirkungs-Modell, denn die vorbereitende Phase in der Tiefe und das magmabildende Ereignis lagen häufig extrem weit auseinander.

„Diese zeitliche Verzögerung ist einer der überraschendsten Aspekte unserer Ergebnisse“, sagte Spandler.

In einigen Fällen reichte der Abstand von Millionen Jahren bis zu nahezu 2 Milliarden Jahren.

Diese Verzögerung trennte die frühere chemische Vorbereitung vom späteren Auslöser und eröffnete mehrere mögliche Wege zum Aufschmelzen.

Wo die Überlagerung zunimmt

Die dichtesten Übereinstimmungen fanden sich auf Kontinenten mit wiederholten Kollisionen, besonders in Nordamerika, dem südlichen Afrika und China.

Alte stabile Blöcke, sogenannte Kratone – die widerstandsfähigsten erhaltenen Teile der Kontinente –, scheinen diese angereicherten tiefen Zonen besonders gut zu bewahren.

Rund 85% der kartierten fruchtbaren Regionen überschnitten sich, was darauf hindeutet, dass mehrere uralte Ereignisse ihre Wirkungen übereinander stapelten.

Auch Gebiete unter dem antarktischen Eis könnten in dieses Muster passen, doch lassen sich dortige Lagerstätten weiterhin nur schwer bestätigen.

Warum Mantelplumes an Bedeutung verlieren

Ältere Erklärungen sahen häufig Mantelplumes, aufsteigende Säulen heißen Gesteins, als wichtigste Ursache dieser Lagerstätten an.

Viele Karbonatite, seltene vulkanische Gesteine, die den Großteil der Seltene-Erden-Lagerstätten beherbergen, zeigen jedoch keinen eindeutigen Zusammenhang mit solchen Wärmequellen; ihre Chemie deutet zudem auf eine Entstehung bei niedrigeren Temperaturen hin.

Da die neue Karte diese Lagerstätten stattdessen mit alten Zonen verbindet, in denen tektonische Platten einst kollidierten, schwächt sie die Annahme, dass aufsteigende Säulen heißen Gesteins den Großteil der Voraussetzungen schufen.

Plumes werden dadurch nicht als spätere Auslöser ausgeschlossen, stehen aber nicht mehr im Mittelpunkt.

Auslöser nach langen Verzögerungen

Eine spätere Störung musste dennoch einsetzen, da angereicherter Mantel nicht von selbst zu einer Lagerstätte aufschmilzt.

Dehnung der Erdkruste, Verformung, nahegelegene Wärmequellen oder Druckentlastung können das vorbereitete Gestein jeweils über seinen gesenkten Schmelzpunkt hinausbringen.

Sobald das Schmelzen beginnt, reichern sich seltene Elemente an, weil sie in der Schmelze verbleiben, statt in gewöhnliche Kristalle überzugehen.

Diese Abfolge erklärt, warum Erze weit entfernt von aktiven Plattengrenzen auftreten können und dennoch einen älteren geologischen Fingerabdruck tragen.

Die Exploration wird gezielter

Für die Mineralexploration erklärte die Studie nicht nur alte Gesteine, sondern verringerte auch die globale Suchfläche.

Nur etwa 35% der kontinentalen Kruste lagen innerhalb der kartierten fruchtbaren Zonen, dennoch enthielten diese Gebiete den Großteil der Lagerstätten.

„Diese Forschung zeigt, dass die Bestandteile für diese kritischen Mineralvorkommen vor vielen Millionen bis hin zu Milliarden Jahren angelegt wurden“, sagte Spandler.

Diese Erkenntnis macht die Exploration zielgerichteter, weil alte tektonische Gürtel Unternehmen und Regierungen erlauben könnten, mit weniger Unsicherheit nach Lagerstätten zu suchen.

Grenzen der Karte

Nicht jede Lagerstätte fiel in die kartierten Zonen, und das Modell klammerte bewusst mehrere Prozesse der Erzbildung aus.

Kurzlebige Subduktion, spätere Bewegungen der Erdkruste, Erosion und Mantelplumes könnten Abweichungen verursachen oder ältere Signale verdecken.

Die ältesten verborgenen Ursprungsregionen reichen zudem über das Zeitfenster der Karte von 2 Milliarden Jahren hinaus, sodass Teile der tiefen Erdgeschichte unsichtbar bleiben.

Trotz dieser Einschränkungen landeten Zufallstests nur etwa in einem Drittel der Fälle innerhalb fruchtbarer Zonen – deutlich weniger als bei der tatsächlichen Übereinstimmungsrate.

Das Erbe der tiefen Erde

Uralte Kollisionen scheinen Kontinente mit der passenden Chemie angereichert zu haben, während jüngere Störungen entschieden, wann diese vergrabenen Bestandteile schließlich aufschmolzen.

Präzisere tektonische Rekonstruktionen könnten diese Zielgebiete weiter eingrenzen, insbesondere in eisbedeckten Regionen und in Gelände, das älter ist, als die aktuelle Karte erfassen kann.